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摘要：在新工科教育背景下，针对岩石力学这一门传统专业基础课程，结合认识实践、工程案例，丰富岩石力学课程教学内容，采用计算模拟技术，提高课程教学手段，使学生认识现代岩石工程中新技术的应用与发展，培养学生利用岩石力学理论及技术解决工程问题的能力。
关键词：新工科；岩石力学；教学方法
本文引用格式：茹忠亮.新工科背景下岩石力学课程教学探索与实践[J].教育现代化,2020,7(45):75-77.
Exploration and Practice of Rock Mechanics Course under the New-Engineering Discipline
RU Zhong-liang
(Taiyuan University of Science and Technology,Jinchen College,Jincheng Shanxi)
Abstract:Rock mechanics is a traditional foundation course of Civil Engineering,Mining Engineering.According to the demand of new-engineering discipline,we introduced some real engineering cases to enrich the course contents,improved the teaching method by computational simulation skill.These practices can make students understand the application and development of new technology in modern rock engineering,cultivate students’ability to solve engineering problems by using rock mechanics theory and technology.
Key words:New-engineering discipline;Rock mechanics;Teaching method
一 引言
新工科建设行动路线指出，未来社会更需要的是实践能力强、具备国际竞争力的复合型“新工科”人才，他们不仅专注于某一学科领域，更具有“学科交叉”的特征，不仅能用已有的知识去解决问题，也有能力学习新知识、新技术去解决一些在社会发展过程中心出现的问题[1]。课程教学作为人才培养的重要环节，也必须按此要求进行教育教学方法改革，增加适应时代发展的、丰富多变的教学内容，注重提高学生的学习兴趣、学习参与度、学习效果和能力培养[2]。
岩石力学是岩土工程、采矿工程等专业的一门基础课程，主要讲授岩石材料的强度特征、变形特征及破坏准则，同时也包括各种工程结构（隧道、巷道及边坡）在荷载作用下的变形、应力分布及工程稳定性问题，是一门理论与工程实践紧密结合的专业基础课程。随着我国高速公路、高速铁路、水电站建设及各种大型矿山的建设，岩石力学所研究的内容越来越丰富，新技术的应用也越来越广泛[3,4]。岩石力学作为一门传统的基础课程，如何在新工科教育背景下，更新教学内容，采用先进的教学手段是我们教育工作者应该深入思考的问题，本文从教学内容、教学方法及手段等几个方面就岩石力学课程教学改革进行了一些探讨。
二 结合实践环节，增加学生对岩石力学的兴趣
岩石力学是一门理论与实践紧密结合的课程，只有与实践紧密结合才能对课程中的一些基本概念及工程现象理解和认识的更深入。因此，在岩石力学课程之前设置了地质认识实习、煤矿认识实习两个实践环节。在地质认识实习的过程中，给同学讲解岩石的形成过程，各种典型的地质构造，现场辨识各种不同的岩石，认识岩石矿物颗粒、硬度、孔隙度、渗透性等岩石的基本物理特性；认识完整岩块、裂隙岩体，使学生理解岩石和岩体这两个基本概念，让学生亲自测量、描绘节理、裂隙的分布状态，掌握节理分布密度、节理间距等概念；让学生亲自感受节理表面的起伏状态，了解节理粗糙度的概念。
在煤矿认识实习过程中，给学生讲解煤矿地层的分布，巷道布置方式、巷道截面形式，并分析各种巷道的受力特征；结合实物让同学认识各种金属支架、锚杆及锚索等支护结构，让学生了解地压、支护结构—围岩之间相互作用关系，锚杆支护机理等岩石力学理论。通过这种先认识实践再理论学习的方式，大大地提高了学生对岩石力学课程学习的兴趣，使原来课本上一些抽象的图片变成脑海中的实物。
三 结合工程案例，增加学生对岩石力学的认识
学习岩石力学的根本任务是分析、解决岩石工程中的岩石力学问题，因此在课堂教学中要大量地引入一些工程案例尤其是身边的一些工程。例如在课程教学中引入我市在建的太焦高铁珏山隧道，珏山隧道长13,421米，最大埋深270.5米，沿线断层、溶洞等地质条件复杂。结合工程设计资料及地质资料，给学生讲解隧道建设中需要测定哪些岩石力学参数，怎样对工程岩体进行分级，采用什么样的施工方式，工程施工中如何对岩体进行加固，如何开展信息化施工等内容。通过结合工程案例进行讲解，一方面激发了同学对课本内容的深入认识，同时也为同学未来将要从事的工作做了职业规划。
学习岩石水力压裂知识时，结合我市煤层气开采案例，讲解如何采用水力压裂的方式在煤层或岩层中制造裂隙，增加煤层的透气性，提高煤层气的产量。结合水力压裂曲线，分析裂隙水压与地应力、岩石抗拉强度之间的关系，使同学对水力压裂这一新兴的施工技术有了更深入的认识。通过案例教学，使同学了解认识岩石力学理论在现实工程中的应用，培养学生探索利用新理论、新技术解决工程问题的能力。
四 采用计算机技术，培养学生解决问题的能力
随着计算机技术的发展迅速，数值仿真技术也大量应用于岩石力学教学领域，选用合理的工程算例及编制一些小程序可以让学生更加岩石力学中的复杂公式，同时也可丰富课堂色彩及效果[5]。
岩石工程中，隧道开挖所引起的应力集中及应力重分布是一个岩石力学教学中的一个难点问题，仅仅通过理论及公式讲解，学生往往无法理解其中的奥秘。采用ANSYS、ABAQUS等有限元计算软件对圆形隧道进行弹塑性计算，并给出不同地应力条件下隧道周边塑性区分布（图1），并与芬纳公式（图2）进行对比分析，这样既加深了学生对塑性区的认识，同时也使复杂的理论公式形象化，提高了教学效果。
对于不同侧压条件下，巷道周边应力集中情况，编制Python小程序，让同学亲自改变不同的系数，绘制出不同的应力集中曲线（图2），这样既活跃了课题气氛，又增强了学生对公式的理解，同时也培养学生学习采用计算软件解决科学问题的能力。
五更新课程教学内容，激发学生主动学习能力
岩石力学是一门蓬勃发展的学科，尤其是随着三峡水利枢纽、西气东输、南水北调、西电东送、青藏铁路、越江跨海隧道、深部采矿等大型工程不断建设，涌现出越来越多的新的岩石力学问题，不断地丰富岩石力学的研究内容。而我们的教材建设则相对滞后，教学内容、体系、结构不能够满足新工科建设需要。这就要求我们要不断补充和优化教学内容，在课堂教学中一方面要讲授岩石力学的基础知识、基本理论，同时也要不断更新知识体系，穿插讲授岩石力学发展中的新方向、新问题。
讲授岩石强度理论时，给同学讲解深部采矿过程中遇到的高应力、大变形、岩爆等岩石力学热点问题；讲授岩石水力学知识时，结合煤层气抽采，分析水、煤层气在多孔介质中的扩散-渗流输送机理；讲授岩石非线性力学性质时，引入神经网络、机器学习等人工智能算法。通过以上方法，使同学们认识到，岩石力学不是一门枯燥的理论课程，而是与我们的生活息息相关，与科技的发展不断创新的科学。
六 结语
新工科教育要求通过改革教育教学方式，提高学生运用新技术解决工程问题的能力，本文结合岩石力学教学过程，从课程教学内容、教学手段入手，通过结合认识实践、工程案例，使学生认识现代岩石工程中新技术的应用与发展，培养学生使用新的技术手段解决分析岩石力学问题的能力。
参考文献
[1]林健.面向未来的中国新工科建设[J].清华大学教育研究,2017,38(2):26-35.
[2]夏建国,赵军.新工科建设背景下地方高校工程教育改革发展刍议[J].高等工程教育研究,2017(03):15-19+65.
[3]姚强岭,万志军,李学华,等.我国采矿工程专业本科培养方案对比及启示[J].煤炭高等教育,2016,34(05):78-83.
[4]王猛.采矿工程专业《岩体力学》课程教学改革初探[J].教育教学论坛,2017,18:106-107.
[5]王述红,梁成,杨勇,等.应用真三维岩体建模仿真技术推动[J].岩石力学教学改革[J].力学与实践,2011,33(1):89-91.
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